化工设备常用金属材料与非金属材料

第8章 化工设备常用金属材料与非金属材料
本章重点要讲解内容：
（1）掌握金属的主要晶格结构及其特点。

（2）掌握压力容器与化工设备常用金属材料的种类、牌号及主要性能
（3）熟悉金属的腐蚀与防护。

（4）了解金属热处理的种类及方法。

第一节 材料的性能
材料的性能主要有：力学性能、物理性能、化学性能和加工性能等。

1、力学性能
该性能决定许用应力，主要的指标如：强度、硬度、弹性、塑性、韧性等。

（1）强度 设备的强度指的是构件抵抗外载荷而不破坏的能力。

利如提升重物的钢丝绳，不允许被重物拉断。

例如提升重物的钢丝绳，不允许被重物拉断。

但在设计中，为了保证强度而盲目的加大结构尺寸是不合理的，因为会造成材料的极大浪费，增加运输及安装费用。

常温强度指标：[]0
/n σσ=，屈服强度和抗拉(压)强度；蠕变极限σn 疲劳极限σr 。

（2）硬度 局部抵抗能力，是弹性、强度与塑性的综合性能指标。

◆ 压入硬度：布氏硬度(HB)、洛氏硬度(HRC 、HRB)和维氏硬度(HV)；
◆ 低碳钢 σb =0.36 HB
◆ 高碳钢 σb =0.34
HB ◆ 灰铸铁 σb =0.1 HB
（3）塑性 （在第二章中已经详细讲过，在此让学生复习一下）
（4）冲击韧性 冲击韧度αk ，使其破坏所消耗的功或吸收的能除以试件的截面面积。

低温容器所用钢板αk 值不得低于30J/cm 2
2、物理性能
密度、熔点、比热容、热导率、线膨胀系数、导电性、磁性、弹性模量与泊松比等。

3、化学性能
◆ 耐腐蚀性 金属和合金对周围介质侵蚀的抵抗能力；
◆ 抗氧化性 高温氧化，降低表面硬度和抗疲劳强度，选耐热材料。

4、加工工艺性能
(1) 可铸性：收缩与偏析；
(2) 可锻性；
(3) 焊接性；
(4) 可切削加工性。

第二节碳钢与铸铁
1、铁碳合金
“铁碳合金”由95％以上铁和0.05％～4％碳及1％左右杂质元素所组成合金。

①一般含碳量0.02％～2％称为钢；②大于2％称为铸铁；③当含碳量小于0.02％时称纯铁(工业纯铁)；
④含碳量大于4.3％的铸铁极脆。

2、铁碳合金的组织结构（1）金属的组织与结构
在金相显微镜下看到的金属的晶粒，简称组织；电子显微镜观察到金属原子各种规则排列，称为金属的晶体结构，简称结构；不同温度下纯铁体心立方与面心立方晶格，体心立方晶格塑性比面心立方晶格的好，而后者的强度高于前者。

图1 金属的显微结构图2 晶格结构
铸铁一般碳以石墨形式存在，有不同的组织形貌。

球墨铸铁强度最高；细片状石墨次之；粗片状石墨最差。

图3 石墨组织结构示意图
（2）纯铁的同素异构转变体心立方晶格的纯铁称 -Fe，面心立方晶格的铁称为 -Fe。

-Fe 加热可变为 -Fe，反之高温下的 -Fe冷却可变为 -Fe。

在固态下晶体构造随温度发生变化的现象，称“同素异构转变”。

纯铁的同素异构转变是在910℃恒温下完成的。

在固态下重新排列、结晶过程。

是钢进行热处理的依据。

碳钢的基本组织碳在铁中的存在形式有固溶体、化合物和混合物三种。

固溶体：两种或两种以上的元素在固态下互相溶解，而仍然保持溶剂晶格原来形式的物体
这三种不同的存在形式，形成了不同的碳钢组织。

指得是碳原子挤到铁的晶格中间去，而又不破坏铁所具有的晶格结构。

铁素体碳溶解在 -Fe中形成固溶体称铁素体。

-Fe原子间隙小，溶碳能力低（室温下0.006％），强度和硬度低，但塑性和韧性很好。

低碳钢是含铁素体的钢，具有软而韧的性能。

奥氏体碳溶解在 -Fe铁中形成固溶体称奥氏体。

-Fe原子间隙较大，碳的溶解度比 -Fe中大得多，如在723℃时可溶解0.8％，在1147℃时可达最大值2.06％。

奥氏体组织是在 -Fe发生同素异构转变时产生的。

由于奥氏体有较大
溶解度，故塑性、韧性较好，且无磁性。

渗碳体碳和铁形成一种化合物（Fe3C）称渗碳体。

熔点约1600℃，硬度高，塑性几乎等于零。

铁碳合金含碳量小于2％时，其组织是在铁素体中散布着渗碳体，是碳素钢。

含碳量大于2％时，部分碳以石墨形式存在，称铸铁。

抗拉强度和塑性都比碳钢低。

但铸铁具有一定消震能力。

◆奥氏体铁素体与渗碳体的机械混合物。

力学性能介于铁素体和渗碳体之间，即其强度、硬度比铁素体显著提高；塑性、韧性比铁素体差，但比渗碳体要好得多。

莱氏体珠光体和初次渗碳体的共晶混合物。

具有较高的硬度，是一种较粗而硬的金相组织，存在于白口铸铁、高碳钢中。

◆马氏体钢和铁从高温急冷下来的组织，是碳原子在 -Fe中过饱和的固溶体。

具有很高的硬度，但很脆，延伸性低，几乎不能承受冲击载荷。

3、铁碳合金平衡状态图
为了把铁碳合金的组织结构与其化学成分和所处的温度之间的关系清楚地反映出来，人们测制了F e-F e3C的状态图，从图中可以很容易地确定某一碳含量的合金在指定温度下的组织结构。

图4铁碳平衡状态图（见幻灯片）
4、钢的热处理
钢、铁固态下加热、保温和不同的冷却方式，改变金相组织以满足所要求的物理、化学与力学性能，称为热处理，生产中的热处理操作主要有以下的几种。

⎧⎧
⎪⎪
⎪⎪
⎨⎪
⎪⎪⎨⎪
⎩⎪
⎪⎧⎪⎨
⎪⎩⎩退火正火
普通热处理
淬火
热处理
回火
表面淬火
表面热处理
化学热处理
◆退火与正火
退火：缓慢加热到临界点以上的某一温度，保温一段时间，随炉缓慢冷却。

目的：细化晶粒，提高力学性能；降低硬度、提高塑性、便于冷加工；消除部分内应力，防止工件变形。

正火是置于空气中冷却。

晶粒变细，韧性可显著提高。

铸、锻件切削加工前一般进行退火或正火。

◆淬火与回火
加热至淬火温度(临界点以上30℃～50℃)，并保温一段时间，后投入淬火剂中冷却。

淬火后得到的组织是马氏体。

增加硬度、强度和耐磨性。

淬火剂有空气、油、水、盐水，冷却能力递增。

碳钢在水和盐水中淬火，合金钢在油中淬火。

回火是淬火后进行的一种较低温度的加热与冷却热处理工艺。

回火可以降低或消除零件淬火后的内应力，提高韧性。

在150℃～250℃范围内的回火称“低温回火”。

回火马氏体有较高的硬度和耐磨性，内应力和脆性有所降低。

刃具、量具，要进行低温回火处理。

中温回火温度是300℃～450℃。

有一定的弹性和韧性，并有较高硬度。

轴类、刀杆、轴套等进行中温回火。

高温回火温度为500℃～680℃。

综合性能：强度、韧性、塑性等都较好，淬火加高温回火习惯上称为“调质处理”。

用于各种轴类零件、连杆、齿轮、受力螺栓等。

效热处理：材料经固溶处理或冷塑变形后，在室温或高于室温条件下，其组织和性能随时间而变化的过程。

时效可进一步消除内应力，稳定零件尺寸，与回火作用相类似。

使零件表面层比心部具有更
高的强度、硬度、耐磨性和疲劳强度，心部则具有一定韧性。

有渗碳、渗氮(氮化)、渗铬、渗硅、渗铝、氰化(碳与氮共渗)等。

渗碳、氰化可提高零件的硬度和耐磨性；渗铝可提高耐热、抗氧化性；氮化与渗铬的零件，表面比较硬，可显著提高耐磨和耐腐蚀性；渗硅可提高耐酸性等。

5、碳钢
常存杂质元素对钢材性能的影响，硫、磷、锰、硅、氧、氮、氢等。

（1）硫
有害元素。

FeS和Fe形成低熔点(985℃)化合物。

钢材热加工1150～1200℃，过早熔化而导致工件开裂，称“热脆”。

高级优质钢：S＜0.02%～0.03%；优质钢：S＜0.03%～0.045%；普通钢：S＜0.055%～0.7%以下。

（2）磷
有害元素。

虽能使强度、硬度增高，但塑性、冲击韧性显著降低。

特别是在低温时，使钢材显著变脆，称“冷脆”。

使冷加工及焊接性变坏，高级优质钢：P＜0.025%；优质钢：P ＜0.04%；普通钢：P＜0.085%。

（3）锰脱氧剂。

有益元素。

MnS(1600℃)，部分消除硫的有害作用。

锰具有很好的脱氧能力，与FeO成为MnO进入炉渣，改善钢的品质，特别是降低脆性，提高强度和硬度。

在0.5%～0.8%以下时，看成是常存杂质。

优质碳素结构钢中，正常含锰量是0.5%～0.8%；高锰结构钢可达0.7%～1.2%。

（4）硅脱氧剂。

有益的元素。

硅与FeO能结成密度较小的硅酸盐炉渣而被除去。

硅在钢中溶于铁素体内使强度、硬度增加，塑性、韧性降低。

镇静钢中的含硅量常在0.1%～0.37%，沸腾钢中只含有0.03%～0.07%。

由于钢中硅含量一般不超过0.5%，对钢性能影响不大。

（5）氧
有害元素。

在炼钢末期要加入锰、硅、铁和铝进行脱氧，但不可能除尽。

FeO、MnO、SiO2、Al2O3，使强度、塑性降低。

尤其是对疲劳强度、冲击韧性等有严重影响。

（6）氮
长时间放置或在200～300℃加热氮以氮化物形式的析出，硬度、强度提高，塑性下降，发生时效。

钢液中加入Al、Ti或V进行固氮处理，使氮固定在AlN、TiN或VN中，可消除时效倾向。

（7）氢
氢脆、白点等缺陷。

变脆：氢化物变形小，白点：组织缺陷处扩散氢，时间长。

6、碳钢分类
按用途：建筑及工程用钢、结构钢、弹簧钢、轴承钢、工具钢和特殊性能钢（不锈钢、耐热钢）；按含碳量：低碳钢、中碳钢和高碳钢；按脱氧方式：镇静钢和沸腾钢；按品质：普通钢、优质钢和高级优质钢
（1）普通碳素钢
Q235-A，屈服强度数值（MPa）；质量等级A，B，C，D。

脱氧方法为F，b，Z，TZ。

化工压力容器用钢一般选用镇静钢。

普通碳素钢有Q195、Q215、Q235、Q255及Q275五个钢种。

（2）优质碳素钢
S＜0.03%～0.045% ；P＜0.04%；08、10、15、20、25、30、35、40、45、50、 (80)
等。

平均含碳量的万分之几。

45号钢中含碳量平均为0.45%(0.42%～0.50%)。

45Mn，锰含量较高的优质非合金钢。

优质低碳钢（含C＜0.25%），如08、10、15、20、25；塑性好，焊接性能好，壳体、接管。

优质中碳钢（含C量0.3%～0.60%）,如30、35、40、45、50与55；45号钢搅拌轴
优质高碳钢（含C＞0.6%），如60、65、70、80。

60、65钢主要用来制造弹簧，70、80钢用来制造钢丝绳等。

（3）高级优质钢S＜0.02%～0.03%；P＜0.025%，均＜0.03%。

它的表示方法是在优质钢号后面加一个A字，如20A。

7、碳钢的品种及规格
品种：钢板、钢管、型钢、铸钢和锻钢
（1）钢板（压力容器用热扎厚钢板）
4mm～6mm厚度间隔为0.5mm
6mm～30mm厚度间隔为lmm
30mm～60mm厚度间隔为2mm
一般碳素钢板材有Q235-A、Q235-A·F、08、10、15、20等。

（2）钢管
无缝钢管和有缝钢管。

无缝钢管有冷轧和热轧。

普通无缝钢管常用材料有10、15、20等。

专门用途的无缝钢管，如热交换器用钢管、石油裂化用无缝管、锅炉用无缝管等。

有缝管、水煤气管，分镀锌(白铁管)和不镀锌(黑铁管)两种。

（3）型钢
有圆钢、方钢、扁钢、角钢（等边与不等边）、工字钢和槽钢。

圆钢与方钢主要用来制造各类轴件；扁钢常用作各种桨叶；角钢、工字钢及槽钢可做各种设备的支架、塔盘支承及各种加强结构。

（4）铸钢和煅钢
铸钢用ZG表示，ZG25、ZG35等，用于制造各种承受重载荷的复杂零件，如泵壳、阀门、泵叶轮等。

锻钢有08、10、15、…50等牌号。

石油化工容器用20、25等制作管板、法兰、顶盖等。

8、铸铁含碳量2%以上，含有S、P、Si、Mn等杂质。

脆性材料，抗拉强度较低，但有良好铸造性、耐磨性、减振性及切削加工性。

在一些介质(浓硫酸、醋酸、盐溶液、有机溶剂等)中有相当好的耐腐蚀性能。

铸铁可分为灰铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁、耐蚀铸铁和特殊性能铸铁等。

第三节合金钢
在碳钢中添加适量的一种或多种合金元素，得到或改善某些性能。

1、分类与编号
按合金元素总含量分：（1）合金含量<5%，低合金钢，（2）合金含量5%-10%，中合金钢（3）合金含量>10%，高合金钢
按用途分：（1）合金结构钢
调质结构钢、表面硬化钢；低碳马氏体钢、非调质结构钢
（2）合金工具钢
（3）特殊性能钢
2、合金元素对钢的影响
不锈钢和耐热钢等目前常用的合金元素有：铬(Cr)，锰(Mn)，镍(Ni)，硅(Si)，硼(B)，钨(W)，钼(Mo)，钒(V)，钛(Ti)和稀土元素(Re)等。

（1）铬提高耐腐蚀性能和抗氧化性能。

含量达到13％时，能使钢的耐腐蚀能力显著提高，并增加钢的热强性。

提高钢的淬透性，显著提高钢的强度、硬度和耐磨性，但使塑性和韧性降低。

（2）锰提高强度和提高低温冲击韧性。

（3）镍提高淬透性，有很高的强度，而又保持良好的塑性和韧性。

提高耐腐蚀性和低温冲击韧性。

镍基合金具有更高的热强性能。

镍被广泛应用于不锈耐酸钢和耐热钢中。

（4）硅提高强度、高温疲劳强度、耐热性及耐H
2S等介质的腐蚀性。

硅含量增高会降低钢的塑性和冲击韧性。

（5）铝强脱氧剂，显著细化晶粒，提高冲击韧性，降低冷脆性。

提高抗氧化性和耐热性，
对抵抗H
2
S介质腐蚀有良好作用。

价格便宜，在耐热钢中常以它来代替铬。

（6）钛强脱氧剂，可提高强度、细化晶粒，提高韧性，减小铸锭缩孔和焊缝裂纹等倾向。

在不锈钢中稳定碳，防止晶间腐蚀，提高耐热性。

（7）稀土元素提高强度，改善塑性、低温脆性、耐腐蚀性及焊接性能。

3、低合金可焊接钢
碳含量通常小于0.25%。

有较高的屈服强度（300～1000MPa）和屈强比（
s /
b
=0.65～
0.95），较好的冷热加工性能、良好的焊接性能，较低的冷脆倾向以及较好的抗大气、海水等腐蚀能力。

低合金高强度钢按性能和用途分为：高强度钢、低温钢和耐蚀钢。

（1）高强度钢
350MPa强度级，典型牌号为16Mn；
400MPa强度级，典型钢号为14MnMoV；
500MPa强度级，典型12MnNiCrMoVCu；
用于船舶、车轴、压力容器、锅炉、输送管线等的焊接结构件。

（2）低温钢主要有09Mn2V(-70℃)、06MnNb(-90℃)
（3）耐蚀钢
10MnPNbRE钢耐海洋大气及海水腐蚀，12MnAlV钢制造炼油厂耐高温硫化氢设备。

大型化工容器16MnR，质量比碳钢轻l/3；与碳钢相比，用15MnV制造球形贮罐可节省钢材约45%。

根据容器的具体操作条件(温度、压力)和制造加工(卷板、焊接)要求选用。

（4）专业用钢
锅炉用钢，压力容器用钢、焊接气瓶用钢等。

在钢号后面分别加注g、R或HP等，如20g、16MnR和15MnVHP等。

质地均匀、杂质含量低，能满足某些力学性能的特殊检验项目要求。

（5）特殊性能钢主要有不锈钢、耐热钢和高温合金及低温用钢
第四节有色金属
1、铝及其合金
浓硝酸以及干氯化氢、氨气中耐腐蚀，卤素离子的盐类、氢氟酸以及碱溶液都会破坏铝表面的氧化膜。

铝不会产生火花，常用于制作含易挥发性介质的容器；铝不会使食物中毒，不沾污物品，不改变物品颜色，在食品工业中代替不锈钢。

铝的导热性能好，适合于作换热设备，主要有变形铝合金（工业纯铝和防锈铝）和铸造铝合金
2、铜及其合金
（1）纯铜（紫铜）
低温时可保持较高的塑性和冲击韧性，用于制作深冷设备和高压设备垫片。

耐稀硫酸、亚硫酸、稀的和中等浓度的盐酸、醋酸、氢氟酸及其它非氧化性酸等介质的腐蚀，对淡水、大气、碱类溶液的耐蚀能力很好。

不耐各种浓度的硝酸、氨和铵盐溶液。

变形纯铜的牌号 Tl 、T2、T3、TU1、TU2、TP1、TP2等。

T1、T2是高纯度铜，用于制造电线，配制高纯度合金。

T3杂质含量和含氧量比T1、T2高，主要用于一般材料，如垫片、铆钉等。

TU1、TU2为无氧铜，纯度高，主要用作真空器件。

TP1、TP2为磷脱氧铜，多以管材供应，主要用于冷凝器、蒸发器、热交换器的零件。

（2）铜合金
黄铜：铜与锌的合金称黄铜
白铜：镍的质量分数含量低于50%的铜镍合金称为简单（普通）白铜，再加入锰、铁、锌或铝等元素的白铜称为复杂（特殊）白铜。

青铜：其它合金。

铜与锡的合金称为锡青铜；铜与铝、硅、铅、铍、锰等组成的合金称无锡青铜。

（3）钛及其合金
钛的密度小（4.507g/cm 3）、强度高、耐腐蚀性好、熔点高。

工业纯钛牌号有 TA0、TA2、
TA3(编号愈大、杂质含量愈多)。

纯钛加工性能良好；有良好的耐蚀性。

钛也是很好的耐热材料。

在钛中添加锰、铝或铬钼等元素，可获得性能优良的钛合金。

（4）镍及其合金
高强度和塑性，好的延伸性和可锻性。

好的耐腐蚀性，用于制造处理碱介质的化工设备。

牌号为 NCu28-2.5-1.5的蒙乃尔耐蚀合金应用最广。

蒙乃尔合金能在500℃时保持高的力学性能，能在750℃以下抗氧化，在非氧化性酸、盐和有机溶液中比纯镍、纯铜更具耐蚀性。

（5）铝及其合金
硬度低、强度小，不宜单独作为设备材料，只适于做设备的衬里。

热导率小；纯铅不耐磨，非常软。

但在许多介质中，特别是在硫酸(80%的热硫酸及92%的冷硫酸)中铅具有很高的耐蚀性。

铅与锑合金称为硬铅，硬度、强度都比纯铅高，在硫酸中的稳定性也比纯铅好。

硬铅的主要牌号为 PbSb4、 PbSb6、 PbSb8和 PbSb10。

铅和硬铅在硫酸、化肥、化纤、农药、电器设备中可用来做加料管、鼓泡器、耐酸泵和阀门等零件。

由于铅具有耐辐射的特点，在工业上用作 X 射线和 射线的防护材料。

铅合金的自润性、磨合性和减振性好，噪音小，是良好的轴承合金。

铅合金还用于铅蓄电池极板、铸铁管口、电缆封头的铅封等。

第五节 化工设备的腐蚀及防腐措施
常见的金属腐蚀破坏的形态有均匀腐蚀和局部腐蚀（区域腐蚀、点腐蚀、晶间腐蚀、表面下腐蚀等）。

⎧⎧⎪⎪⎪⎪⎨⎪⎪⎪⎪⎪⎩
⎨⎪⎧⎪⎪⎪⎨⎪⎪⎪⎩⎩
金属的高温氧化
钢的脱碳化学腐蚀氢脆氢腐蚀化工设备的腐蚀分类腐蚀原电池电化学腐蚀微电池与宏电池浓差电池
主要的防腐措施：
⎧
⎨
⎩
⎧
⎨
⎩
金属涂层
衬覆保护层
非金属涂层
阴极保护电化学保护法
阳极保护对腐蚀介质进行处理。

【思考题】
（1）制造压力容器的专用钢板与一般钢板有何区别？（2）低合金钢的特点是什么？它优于碳钢之处是什么？（3）低合金钢有哪几种？
（4）金属材料的多晶体结构是如何形成的？。